盾构法同步注浆材料的研究进展

唐晶晶，黄 靖，周永祥，王平瑞

（1.中国建筑科学研究院，北京 100013；2.天津城建大学，天津 300384；3.天津泰达城市轨道建设开发有限公司，天津 300457）

盾构法同步注浆材料的研究进展

唐晶晶1，2，黄 靖1，周永祥1，王平瑞3

（1.中国建筑科学研究院，北京 100013；2.天津城建大学，天津 300384；3.天津泰达城市轨道建设开发有限公司，天津 300457）

在盾构施工中，注浆技术是稳固地层、防护衬砌的重要手段，而注浆技术中所使用的注浆材料则起着至关重要的作用。文章对盾构技术、盾构注浆技术及注浆材料的发展历程做了简要概述，对注浆材料的种类及研究现状做了系统归纳分析，最后对我国注浆材料的现存问题提出建议。

盾构；同步注浆；注浆材料

0 引言

在地铁隧道工程中，不仅要提高施工技术以应对穿越大量高层建筑物、各种地下管线，软弱富水地层、软弱粘土层、砂层、风化岩层，腐蚀水环境等技术难题，还要时刻提防地铁隧道地面下沉、隧道渗水问题的发生。而与盾构技术配合使用的注浆技术在解决地面下沉、隧道渗水方面有着十分突出的效果，在盾构衬砌背后填充的注浆结石体不仅可以稳固地层，还可以作为一道防护墙阻挡地下水、侵蚀介质进入隧道内。为了提高盾构隧道的施工质量以适应更复杂的地层环境，就必须对注浆材料做更为深入的研究。

盾构同步注浆材料经历了原始的惰性注浆材料、水泥基活性注浆材料、化学注浆材料、现代改性注浆材料等几个阶段，不断更新换代，可针对不同地质条件及经济效益而选择不同的注浆材料。本文就随盾构技术的逐渐成熟而逐步发展的注浆材料及注浆材料的现状和发展趋势做了简要分析，并对我国注浆材料研究的现存问题提出建议，供盾构工程施工选择注浆材料作参考。

1 盾构注浆技术

盾构注浆技术主要分为一次注浆和二次注浆。一次注浆是盾构管片拼装好后在管片与地层之间注入浆液稳定并加固管片和地层。二次注浆是当一次注浆的浆液收缩、未注满缺陷等原因通过注浆孔进行的补浆。

一次注浆按照注浆方式主要分为 2 种：一种是通过向管片上预留的注浆孔注浆；另一种是随着盾构机向前掘进的同时，经过盾构机盾尾外侧的注浆管直接自动向间隙注浆，即同步注浆。

（1）注浆孔注浆。盾构机向前掘进 1 环或数环后，通过管片注浆孔注入浆液稳定管片和底层的方式。因开始注浆时间与盾尾脱离衬砌管片时间不同步，对于富水地层、软土不稳定地层、多种类复杂地层，在此时间间隔容易造成管片上浮或管片位置偏移、地层沉陷，因此，此种注浆方式仅在较稳定坚固的地层适用，施工方便易行。

（2）同步注浆。盾构机掘进后向前推进出现环向间隙的同时进行注浆的方式（图1、图2）。同步注浆基本是在盾构机作为衬砌管片的“支撑”尚未脱出时进行注浆稳固衬砌和地层的注浆方式，能够较好地实现注浆目的，及时调控盾构姿态，控制管片偏移、地层发生变形，不仅适用于稳固地层、软土地层，也适用于砂土、黏性土、富水地层等自稳能力较差的复杂地质环境，已成为目前盾构施工的主要注浆方式。

图1 盾尾同步注浆

图2 盾尾同步注浆细部截面图

2 盾构同步注浆材料的发展

2.1 原始盾构注浆材料阶段

刚开始发展起来的盾构技术施工地层都比较稳定，对注浆材料的要求不高。19 世纪中后期，最开始的盾构注浆材料以惰性单浆液为主，即将粘土、火山灰、生石灰等没有胶凝性的材料与水混合而成［1］。惰性浆液仅起到填充管片与管片、管片与地层间隙的作用，流动性较好，不宜堵塞管道，利于施工，但固结主要靠水分蒸发，防水性差、收缩大、凝结时间长，在不稳定地层不容易控制地层沉降。

2.2 水泥基同步注浆材料阶段

水泥基注浆材料是在惰性浆液中加入了具有胶凝性的水泥，注入管片与地层间，大大提高了凝结时间，控制了体积收缩，且能够在水中硬化，使盾构技术在软弱不稳定地层和富水地层的施工成为可能，不仅提高了盾构注浆技术，也推动了盾构技术向更复杂地层迈进新的一步。

2.3 化学同步注浆材料阶段

水泥具有胶凝性质能提高管片、地层稳定性，提高盾构施工质量，但颗粒状的水泥基材料无法注入微细裂缝，研究人员将目光转向化学浆液。由于水玻璃与水泥基材料混合的注浆浆液凝结时间较短，不容易被水稀释，且在压力注浆下不容易被劈裂，水玻璃-水泥基双浆液同步注浆材料在富水环境得到广泛应用。但便宜、速凝的水玻璃强度低甚至会出现强度倒缩，对耐久性影响较大，随之出现新型高分子注浆材料来弥补水玻璃的不足，而部分高分子注浆材料引发的中毒事故又限制了其发展。

2.4 现代改性同步注浆材料阶段

化学浆液的开发使用受到限制，人们又将目光重新转移到水泥基注浆材料，通过改善原材料的物理、化学性质，添加外掺料来改性注浆材料，满足施工及使用需求。

（1）水泥-粉煤灰基注浆材料。粉煤灰的微珠效应可减少用水量，在保证流动度的前提下提高注浆材料的强度。我国在 20 世纪 80 年代开始将粉煤灰应用于注浆材料，不提高成本前提下提高了注浆结石体质量。

（2）水玻璃-水泥-粉煤灰基注浆材料。王树清等研制了水玻璃-水泥-粉煤灰基双液注浆材料，采用水泥-粉煤灰基注浆液与水玻璃注浆液经过 2 个管道在注入前混合的注浆方式。粉煤灰与水玻璃均衡了注浆结石体对强度的要求，且解决了大水灰比浆液对流动性、长时间稳定性的要求。

（3）膨润土-水泥基注浆材料。膨润土会降低浆液流动度但能提高浆液稳定性，罗云峰等采用膨润土提高浆液稳定性，采用减水剂保证浆液流动度并研制了膨润土-水泥基注浆材料，改善了同步注浆的施工性能［2］。

（4）生石灰-粉煤灰基注浆材料。生石灰能增加浆液粘度，提高浆液早期固结性。北京地铁 5 号线［3］、上海某隧道砂和性地层均采用生石灰、粉煤灰为主要胶凝材料的惰性浆液进行注浆，取得较好注浆效果并申请了惰性浆液专利。

（5）水下不分散注浆材料。低强度、高水灰比的注浆材料在具有水压力的富水环境极易被冲散，中铁五局在修建狮子洋隧道时在水泥基注浆材料中复配钢渣及纤维，研制了水下不分散注浆材料，成功控制了管片上浮。

3 注浆材料的研究现状

随着盾构技术及注浆技术的发展，针对不同地质条件研制出的注浆材料种类也越来越多，目前的注浆材料按照注浆方式大体可分为单液浆注浆材料和双液浆注浆材料。

3.1 单液惰性注浆材料

单液惰性注浆材料指的是在浆液中没有水泥等具有胶凝性的材料，凝结时间长，早期强度低，收缩率高，但流动性好，施工性能好，适用于较稳定的干燥地层。目前的单液惰性浆液主要有以下 2 类。

（1）主要组成：生石灰、粉煤灰、砂、膨润土、水。浆液中加入生石灰使浆液具有一定的固结作用，调节浆液的凝结时间。北京 5 号线试验段采用此种类型注浆液，注浆效果良好。

（2）主要组成：熟石灰、粉煤灰、膨润土、砂、水、外加剂、抗水分散剂。惰性浆液中加入抗水分散剂使浆液适用于富水地层，控制管片上浮。上海西藏路越江隧道采用此种浆液控制管片上浮和地表沉降达到较好效果。

3.2 单液活性注浆材料

活性浆液中加入了具有胶凝性的水泥而区别于惰性浆液。

（1）常规活性单浆液。成份包括水泥、粉煤灰、砂、膨润土（钠基）、水。广州地铁 2 号线、武汉地铁 3 号线王宗—汉江段等常规地层盾构施工均采用此种常规活性单浆液注浆材料进行同步注浆。

（2）常规活性单浆液中加入外加剂。广州地铁3号线客村站—大塘站采用此种浆液，针对风化土质等的变化调整不同配比、注浆压力来达到稳固地层、控制管片稳定的目的。广州狮子洋隧道采用通过选择不同减水剂、缓凝剂选出最优配比来控制管片上浮。

（3）常规活性单浆液中加入减水剂、石灰。在常用活性单浆液中加入石灰来调节凝结时间（从 24 h 降低到 4 h 以下），在广州市轨道交通 4 号线某施工段控制浆液流失、管片上浮中取得良好应用效果。

（4）用石灰粉取代常规活性单浆液中的砂，并加入减水剂。在软土地层盾构施工中，在常用活性单浆液中加入石灰、取消砂的浆液组成来控制地层稳定，满足施工性能，取得良好注浆效果。

（5）盾构泥砂取代常规活性单浆液中的砂与膨润土并加入减水剂。有效利用了盾构施工中的废弃物，且节约原材料的使用，使盾构注浆实现了绿色施工。武汉地铁 2 号、4 号线部分标段有相关应用，并取得良好注浆效果。

（6）常用活性单浆液中加入絮凝剂（纤维素醚、聚丙烯纤维等）。在水胶比较高的注浆液中掺入抗水分散剂，使浆液能在富水环境中控制地层稳定、管片上浮。在武汉过江隧道（长江大桥、二桥间）和台山核电取水隧洞的应用中均取得良好效果。

3.3 双液活性注浆材料

双液活性浆液指单液活性浆液作为A液与由水玻璃组成的 B 液混合而成的注浆浆液。因水玻璃与活性浆液混合后浆液将在几分钟内迅速凝结，注浆施工时要将2 种浆液在注浆管注入前混合，达到迅速凝结，稳定管片及地层稳定，避免了浆液被水稀释而降低注浆质量，但瞬凝型的注浆液容易造成堵管、注浆密实性不佳等现象。双液活性浆液的瞬凝特点使其常被应用于隧道盾构施工的富水环境、软土层的同步注浆及常规盾构施工的二次注浆。

3.4 同步注浆材料的基本特点

表1 给出了 3 种注浆材料的性能及适用环境比较。

4 结论及建议

表13 种浆液性能及适用环境比较

综上所述，同步注浆材料历经多年的发展，已从原来的单一惰性浆液发展到各种类型的注浆浆液，以满足不同施工环境的需求，但不同种类的注浆材料仍存在不足，如惰性浆液凝结时间较长而不能较好控制地层沉降，化学浆液容易引起固结体强度倒缩且容易对环境造成污染，缺乏注浆材料质量管控措施等等。注浆材料的耐久性问题、环保问题及不同环境的适应性仍需要做更深入的研究，寻求绿色环保、防渗防腐、凝结时间易控、经济效益好、施工方便等综合性高的新型同步注浆材料是今后注浆材料的开发方向。

（1）随着地铁隧道工程的迅速发展，盾构施工挑战越来越严苛的地质环境，而依然要保证 100 年以上的隧道寿命，注浆材料及注浆效果就显得尤为重要。盾构技术的发展促进了注浆材料的发展，从注浆材料的发展历程可见，注浆材料从原来的惰性粘土浆液注浆逐步发展到绿色惰性注浆材料、可调凝惰性注浆材料、水泥基活性注浆材料、盾构泥砂活性注浆材料、水玻璃-水泥基活性注浆材料、抗水分散性注浆材料等，研发的不同性能的注浆材料已能够满足不同的盾构环境。

（2）与抹灰砂浆、砌筑砂浆、混凝土等建筑材料相比，注浆材料对后期强度要求不高，而且材料来源广泛、多样，成本较低，施工技术的管控较低，但在盾构施工中又起着举足轻重的作用。虽然多种多样的注浆材料已被研发来跟进盾构施工，但地铁隧道工程地层下沉超限、地铁渗漏水问题仍然时常发生，目前还没有标准规范来进行质量控制，应引起人们重视。

（3）惰性注浆材料的施工性好但结石体强度较低，活性注浆材料后期强度较高但施工性较差，容易堵管，影响施工进度，均衡二者性能方面有待研究。

（4）针对控制地层稳定、富水环境管片的稳定，注浆材料在不断发展，但在沿海地区，更为严苛的侵蚀性环境对大水胶比、低强度的注浆材料来说，又是一个具有挑战性的环境，因为注浆材料的耐久性很少作为控制指标，有待开发研究，注浆材料的耐久性研究也将作为盾构技术发展的推动力。

［1］ 罗云峰， 区希， 张厚美， 等.地铁隧道盾构法同步注浆用水泥浆液的试验研究［J］.混凝土，2004（8）.

［2］ 朱建春，李乐，杜文库.北京地铁盾构同步注浆及其材料研究［J］.建筑机械化，2004（11）.

［3］ 王丽丽，张格尔，王丽.盾构施工技术的发展及展望［J］.建材技术与应用，2011（1）.

［4］ 王红霞，王星，何廷树，等.灌浆材料的发展历程及研究进展［J］.混凝土，2008（10）.

［5］ Karol R H.Chemical Grouting and Soil Stabilization［J］.Marcel Dekker， 2003（7）.

［6］ Shimoda M.Ultrafi ne Grouting Material［J］.Grouting in Geotechnical Engineering， 1991（8）.

［7］ John Bensted.Microfine Cement［J］.World Cement，1992（12）.

［8］ 朱建春，李乐，杜文库.北京地铁盾构同步注浆及其材料研究［J］.建筑机械化，2004（11）.

［9］ 陆磊，钟世云，贺鸿珠.单液型非惰性同步注浆料的性能及在隧道工程中的应用［J］.上海建设科技，2008（2）.

［10］ 吴全立.同步注浆材料配合比设计与试验研究［J］.施工技术，2003（1）.

［11］ 贺雄飞.单液惰性同步注浆浆液的配合比试验研究［J］.隧道建设，2012（增2）.

［12］ 黄月文，刘伟区，罗广建.灌浆材料应用研究进展［J］.防水材料，1999（8）.

［13］ 郑大锋，邱学青，楼宏铭.水溶性高聚物在盾构隧道注浆材料中的应用研究［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2005（8）.

责任编辑 朱开明

Study Progress of Synchronous Grouting Material for Shield Tunneling Method

Tang Jingjing， Huang Jing， Zhou Yongxiang， et al.

In the shield construction， grouting technology is an important means to stabilize strata and protect lining.Furthermore， grouting material used by the grouting technology is playing a vital role.The paper gives a brief overview of the development course of the shield technology，grouting technology and grouting material.It systematically analyzes and summarizes the grouting materials categories and research status.In the fi nal part， the paper puts forward some existing problems of grouting materials in China.

shield， synchronous grouting， grouting material

U455.43

唐晶晶（1989—），女，硕士研究生

2015-10-10